基于近距離無(wú)線(xiàn)通信(NFC)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

郭俊俊 江西新明機(jī)械有限公司

引言：在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，近距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)誕生，使數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)得到進(jìn)一步的優(yōu)化和創(chuàng)新。其中，防碰撞算法能夠以時(shí)隙為單位分發(fā)數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)防碰撞目標(biāo)。在本文的研究中，首先對(duì)NFC系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)與編碼技術(shù)進(jìn)行分析，并在位碼優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆琅鲎菜惴ㄟM(jìn)行研究。

1. NFC系統(tǒng)概述

1.1 主要結(jié)構(gòu)

在NFC系統(tǒng)中，主要結(jié)構(gòu)包括電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、系統(tǒng)高層三部分。其中，電子標(biāo)簽包括芯片與天線(xiàn)兩個(gè)部分，一般在物體上當(dāng)作目標(biāo)標(biāo)識(shí)，在標(biāo)簽的中具有唯一的識(shí)別碼，存儲(chǔ)一些特定信息；讀寫(xiě)器也被稱(chēng)為發(fā)起設(shè)備，能夠?qū)﹄娮訕?biāo)簽中的信息進(jìn)行讀??；系統(tǒng)高層的主要作用在于對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

在NFC系統(tǒng)中，通過(guò)電感耦合的方式對(duì)通信雙方射頻信號(hào)進(jìn)行傳輸，該模式中的諧振電路電感耦合能夠完成雙方數(shù)據(jù)與能量的傳輸。讀寫(xiě)器中的線(xiàn)圈能夠使其四周充滿(mǎn)磁場(chǎng)，在目標(biāo)設(shè)備通過(guò)時(shí)，在耦合作用下生成感應(yīng)電壓，并以其為微型芯片電源展開(kāi)工作。如若線(xiàn)圈的形狀為圓形，在位置上為水平狀態(tài)，則根據(jù)電磁感應(yīng)定量能夠?qū)€(xiàn)圈中的感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算，公式為：

式中，讀寫(xiě)器線(xiàn)圈的數(shù)量為N1，目標(biāo)設(shè)備的圈數(shù)為N2，半徑為R1與R2，兩線(xiàn)圈的圓心距為d。

由上述公式能夠看出，感應(yīng)電壓與線(xiàn)圈的放置位置、大小、結(jié)構(gòu)等具有一定關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能夠得出，目標(biāo)設(shè)備中的感應(yīng)電壓與線(xiàn)圈間的距離存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)二者的距離越遠(yuǎn)時(shí)，設(shè)備中產(chǎn)生的蒲河電壓數(shù)值越?。划?dāng)二者距離越近時(shí)，產(chǎn)生的耦合電壓數(shù)值越大。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)盡可能的縮短二者間的距離才能夠提高工作質(zhì)量。

1.2 編碼技術(shù)

在NFC系統(tǒng)中應(yīng)用較為頻繁的編碼類(lèi)型為改進(jìn)型Miller編碼與Manchester編碼。其中，前者是在Miller編碼的基礎(chǔ)上優(yōu)化而成，利用負(fù)脈沖的方式使編碼中的各個(gè)邊沿被取代，在位周期開(kāi)始后便開(kāi)始產(chǎn)生電平交互，便于接收器為節(jié)拍的重建，其主要特征為：一是在碼元中間（“1”）或者開(kāi)始處產(chǎn)生跳變；二是負(fù)脈沖的延續(xù)時(shí)間較短，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中能夠確保發(fā)起方連續(xù)不斷的為目標(biāo)方提供能量，且較短的負(fù)脈沖能夠?qū)⒛芰咳繀R集到寬帶當(dāng)中，使目標(biāo)設(shè)備的接收質(zhì)量得到顯著提高。后者的電壓跳變可以用碼元“1”與“0”來(lái)表示，其中，碼元“1”代表電平由高到低的轉(zhuǎn)變，而碼元“0”則表示電平由低到高的轉(zhuǎn)變，該編碼的主要特點(diǎn)如下：一是含位同步時(shí)鐘，由于碼元之間出現(xiàn)跳變，因此接收端更容易提取位同步時(shí)鐘；而是不具備直流分量，對(duì)于一個(gè)碼元來(lái)說(shuō)，其中的高低電平各站一般，因此無(wú)直流分量。

2. 基于位碼優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸防碰撞算法

2.1 算法的基本思想

在SA算法中，采用幀時(shí)隙、動(dòng)態(tài)時(shí)隙等方式，對(duì)以往隨機(jī)算法進(jìn)行完善，并將動(dòng)態(tài)搜索、回退搜索等方式引入到BTS算法當(dāng)中，使該算法得以?xún)?yōu)化。隨著目標(biāo)數(shù)量的不斷增加，BTS算法效率不斷降低，而SA算法的變化趨勢(shì)為先上升后降低，因此二者勢(shì)必會(huì)有一個(gè)重合之處，計(jì)算公式為：

式中，N代表的是目標(biāo)數(shù)量，E代表兩種算法的重合之處。

通過(guò)計(jì)算可得N的值不小于7，也就是目標(biāo)設(shè)備的數(shù)量范圍在1到6之間，此時(shí)BST算法中存在最高效率，且與SA算法相比在效率上占有優(yōu)勢(shì)。隨著目標(biāo)數(shù)值的不斷提高，如若使用上述方式，使每組中目標(biāo)設(shè)備數(shù)量降低，則算法效率將得以提升。

2.2 二進(jìn)制搜索算法

本文基于確定性算法對(duì)防碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，具體措施為：

（1）由發(fā)起端發(fā)出一個(gè)查詢(xún)指令REQUEST，將UID參數(shù)設(shè)置成全1序列，代表查詢(xún)序列號(hào)；將BN參數(shù)設(shè)置為0，代表位碼值。當(dāng)目標(biāo)設(shè)備接收指令后，采用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成新的位碼，并將UID與BN參數(shù)反饋給發(fā)起端；

（2）當(dāng)發(fā)起端接收到BN數(shù)值以后，分為三種情況，一種是BN數(shù)值為0，這代表著存在目標(biāo)設(shè)備，操作完畢；另一種是BN中只有一位為1，也就是只有唯一的位碼，無(wú)碰撞現(xiàn)象，則全部設(shè)備都匯集到同個(gè)組中，對(duì)UID中是否存在碰撞現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，如若存在則需要執(zhí)行BTS算法，如若不存在則操作完畢；還有一種情況是BN中存在多個(gè)1，也就是由許多位碼，要想從中識(shí)別中最高位，使BNR位置為1，其他為0，則需要生成本組BNR，并將BN中的最高位變?yōu)?；

（3）在發(fā)起端對(duì)命令REQUEST進(jìn)行發(fā)布，將其中全部UID設(shè)置為1，使BN與BNR的目標(biāo)相同，在接受到指令以后迅速反饋，如若信號(hào)接收失敗，證明改組內(nèi)已經(jīng)不存在目標(biāo)，這時(shí)需要重復(fù)上述（2）的操作；

（4）在對(duì)某一序列號(hào)進(jìn)行識(shí)別后，采用SELECT命令對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行讀取，并完成數(shù)據(jù)傳輸，識(shí)別下一個(gè)設(shè)備，直至將全部設(shè)備都識(shí)別出來(lái)。

2.3 防碰撞算法的仿真實(shí)現(xiàn)

2.3.1 仿真過(guò)程

首先，點(diǎn)擊“start”按鈕，將UID模塊中從0轉(zhuǎn)變?yōu)?2組相互獨(dú)立的4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將state模塊設(shè)置成“READY”狀態(tài)，將統(tǒng)計(jì)模式設(shè)置為0；其次，通過(guò)Initiator將查詢(xún)命令REQUEST傳輸出去，UID的數(shù)值為1111，BN的數(shù)值為0000，將targets反饋的參數(shù)接收，從該數(shù)據(jù)中能夠看出，UID與BN中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了碰撞情況，也就是碼元之間沒(méi)有出現(xiàn)跳變情況。第三，將Initiator傳送到REQUEST當(dāng)中，借助識(shí)別目標(biāo)使BNR由1000逐漸降低到0001，通過(guò)分析碰撞發(fā)生后數(shù)值的變化情況得出UID的值。

2.3.2 仿真結(jié)果

（1）碰撞頻率。在BNBTS算法應(yīng)用過(guò)程中共計(jì)產(chǎn)生11次碰撞，BTS算法應(yīng)用中共計(jì)產(chǎn)生21次碰撞。碰撞的頻率越高意味著雙方產(chǎn)生交互的次數(shù)越多，時(shí)延越長(zhǎng)。在本文研究的仿真實(shí)驗(yàn)中，BTS算法產(chǎn)生的碰撞頻率幾乎是BNBTS算法的50%；

（2）查詢(xún)次數(shù)。根據(jù)碰撞頻率能夠?qū)Σ樵?xún)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值為碰撞頻率與targetss數(shù)量之和。在BNBTS算法中，查詢(xún)次數(shù)為23次，而B(niǎo)TS中為33次，相比來(lái)看，BTS算法的查詢(xún)次數(shù)超過(guò)BNBTS算法的30%；

（3）平均通信量。計(jì)算方式為傳輸比特?cái)?shù)值與1/12的乘積，其中傳輸比特值的計(jì)算方式為targets傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)與Initiator相加之和。通過(guò)計(jì)算可知，BNBTS算法的平均通信量為97.33bit，BTS算法為102.67bit。在實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)target為單一的情況下，也就是碰撞頻率為0、查詢(xún)次數(shù)為1時(shí)，與BTS算法相比，采用BNBTS算法需要加入更多的BN，在平均通信量上超出二倍。由于位碼BN存在明確的分組，碰撞頻率降低，而B(niǎo)TS算法的平均通信量又高于BNBTS算法，因此效果也將更加顯著。

結(jié)論：綜上所述，在本文的研究中主要對(duì)NFC的主要結(jié)構(gòu)與編碼技術(shù)進(jìn)行分析，并在位碼優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆琅鲎菜惴ㄟM(jìn)行研究，首先介紹了算法的基本思想，然后在位碼優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)二進(jìn)制搜索算法的應(yīng)用流程進(jìn)行分析，最后通過(guò)仿真分析的方式，對(duì)防碰撞算法進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，從碰撞頻率、查詢(xún)次數(shù)、平均通信量三個(gè)角度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。